CN102801319A - 一种直流降压型开关 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种直流降压型开关，由降压电路和直流开关两部分串联而成。直流开关具体负责操作支路的通断，降压电路服务于直流开关，用来改善直流开关的工作环境，普通电路尽量避免产生过电流，在本发明中主动引入过电流，用低容量过电流保护器件分断线路正常电流，使其内部各种机械开关或者在无流状态、或者在小于起弧阀值下实现了无弧分断，省略了传统机械式直流开关内部复杂的灭弧装置或混合式直流开关内部半导体开关器件和体积庞大的散热器，在具有相同电寿命的情况下，减小了触点电磨损程度，降低了触点材料中贵金属材料的需要量。本发明主要适用于合路型直流不间断供电系统中，作为合路点之前供电支路不频繁动作的配电开关使用。

Description

一种直流降压型开关

技术领域  本发明涉及一种适用于控制合路型直流供电系统合路点之前供电支路通断的直流开关。

背景技术  分断直流电路时产生的直流电弧不易熄灭，为保证可靠灭弧，机械式直流开关内设置了复杂的灭弧装置；而机电混合式直流开关虽然实现了无弧通断，但是负责通断直流电流的半导体开关器件需要装配体积庞大的散热器。为保证可靠熄灭直流电弧，现有直流开关在普通机械开关基础上附加了很多装置或电路，提高了直流开关成本。

发明内容  本发明的任务是提供一种低成本的直流开关。

本发明中为叙述方便，首先定义以下名词：

所谓供电支路，是指合路型直流供电系统合路点之前一条供电线路。

所谓操作支路，是指需要改变运行状态的供电支路，除非特别说明，本发明中直流降压型开关在操作支路背景下叙述。

所谓稳定支路，是指正在正常供电并且能满足系统可靠供电要求的供电支路或支路集，本发明中稳定支路中的直流降压型开关内部各个机械开关保持闭合状态不变。

一种直流降压型开关，适合在合路型直流供电系统中使用，合路型直流供电系统有两条及两条以上的多条直流供电支路，各直流供电支路分别经过隔离二极管后，在合路点处合并为一路，合路型直流供电系统是一种容错系统，在各支路正常工作的初始条件下，发生在任意时候、任意供电支路的单支路断开故障都不会影响整个供电系统的供电可靠性；直流降压型开关安装在合路点之前的供电支路，用来控制该供电支路上负载电流的通断，直流降压型开关由降压电路和直流开关两部分串联而成；直流开关具体负责操作支路的通断，降压电路服务于直流开关，用来改善直流开关的工作环境，降压电路不需要时应失效，有需要时应产生压降，在供电系统中其他稳定支路配合下，该压降能使合路点之前连接该操作支路的隔离二极管反偏，使操作支路电流为零，直流开关可以无流通断，所以要求直流降压型开关在断开操作支路时按先降压、后分断直流开关的次序进行，在接通操作支路时按先降压、后闭合直流开关的次序进行。

所述降压电路，由二极管串联电路和一个机械开关(以下简称降压开关)并联而成；当降压开关闭合时，短接二极管串联电路，降压电路无降压效果；当降压开关无弧分断时，允许电流从二极管串联电路流过，该降压电路产生降压效果，在供电系统中其他稳定支路配合下，该压降能使合路点之前连接该操作支路的隔离二极管反偏，降压电路实际降压值由串联二极管的个数决定。

所述直流开关，由并联有分断电路的主机械开关(以下简称主开关)和辅助机械开关(以下简称辅开关)串联而成，分断电路由二极管和电流敏感器件串联形成，该二极管的连接极性应允许通过线路直流电流，用来抵消主开关闭合时接触电阻上的压降，保证主开关闭合时无电流流过分断电路；线路接通时，主、辅开关均处于闭合状态，短接并联的分断电路，分断电路失效，由主开关承载全部线路电流，故分断电路没有保护功能，不负责分断线路中的过电流，平时不工作，仅在有需要时接入线路、分断线路额定工作电流以下正常工作电流，普通电路尽量避免产生过电流，在本发明中主动引入过电流，用低容量电流敏感器件具体负责线路电流的断开或降流任务，其应具有非线性变阻器特性，初始电阻要小，当流过其中的电流远大于动作电流时，阻值突变，呈高阻或熔断；时序上，直流开关在分断线路时首先断开主开关，要求电流敏感器件的初始电阻足够小并且具有起效延迟效应，延迟时间大于主开关的分断动作时间，保证主开关可靠断开之前，并联于主开关两端的分断电路的端压值小于主开关的起弧电压阀值，使主开关在将全部线路电流转移到分断电路的过程中、在电压小于起弧电压阀值的条件下无弧断开；主开关无弧断开后，全部线路电流流过电流敏感器件，要求其动作电流远小于线路的额定工作电流，正常线路工作电流对电流敏感器件而言是一种严重过电流，在该严重过电流作用下电流敏感器件可靠动作，经过一段动作时间后，其等效电阻变得足够大或熔断，使得线路剩余电流小于辅开关起弧电流阀值，最后辅开关在电流敏感器件动作完成后在小于起弧电流阀值下无弧断开。

电流敏感器件可以采用现有的过电流保护器件实现。

直流降压型开关在闭合状态时，降压开关及主、辅开关均处于闭合状态；直流降压型开关在分断状态时，降压开关及主、辅开关均处于分断状态；时序上，直流开关闭合时，首先闭合辅开关，然后闭合主开关；直流开关分断时，首先分断主开关，辅开关在电流敏感器件动作完成后才可断开；直流降压型开关断开操作支路次序是：先分断降压开关，再分断主开关，最后分断辅开关；接通操作支路次序是：先将降压开关保持在分断状态，闭合辅开关，再闭合主开关，最后闭合降压开关。

多路供电系统中典型的是双路供电系统，本发明中为叙述方便，以下针对双路合路型直流供电系统叙述，但降压型直流开关完全适用于任意的多路合路型直流供电系统，故本发明完全适用于任意的多路合路型直流供电系统。

双路合路型直流供电系统有三个稳定运行状态和四个过度过程，三个稳定运行状态分别为：双支路供电状态、单支路供电状态、无支路供电的停电状态；四个过度过程分别为：由停电状态向单支路供电状态转换的启动过程、由单支路供电状态向双支路供电状态转换的运行过程、由双支路供电状态向单支路供电状态转换的检修过程、由单支路供电状态向停电状态转换的停电过程。

双路合路型直流供电系统的运行过程：由于存在稳定支路并且操作支路中的降压开关保持分断状态，在有效地降压电路和其他稳定支路共同作用下，使合路点之前连接该操作支路的隔离二极管反偏，该操作支路电流值降为零，首先闭合辅开关，再闭合主开关，最后闭合降压开关。

双路合路型直流供电系统的检修过程：由于存在稳定支路，首先将操作支路中的降压开关处于分断状态，在有效地降压电路和其他稳定支路共同作用下，使合路点之前连接该操作支路的隔离二极管反偏，该操作支路电流值降为零，首先分断主开关，再分断辅开关。

双路合路型直流供电系统停电过程：直流降压型开关断开最后一条供电支路时，操作程序仍然是先降压、后分断直流开关，操作之前降压开关及主、辅开关均处于闭合状态。断开操作时首先分断降压开关，降压电路起效，但此时没有稳定支路，合路点之前的隔离二极管不会形成反偏，该操作支路仍然有负载电流流过，再断开主开关，负载电流向分断电路转移，分断电路中的电流敏感器件的初始电阻足够小并且具有延迟起效效应，延迟时间大于主开关的分断动作时间，保证主开关可靠断开之前，并联于主开关的分断电路的端压值小于主开关的起弧电压阀值，使主开关将全部线路电流转移到分断电路、在电压小于起弧电压阀值的条件下无弧断开。电流敏感器件的动作电流远小于操作支路的额定工作电流，正常操作支路工作电流对电流敏感器件而言是一种严重过电流，在该严重过电流作用下电流敏感器件可靠动作，经过一段动作时间后，对过流保护PTC热敏电阻、自恢复熔断器等类型的电流敏感器件，其等效电阻变得足够大，使得操作支路上的剩余负载电流值小于辅开关起弧电流阀值；对普通熔断器型电流敏感器件，熔体熔断，操作支路电流变为零，时序上，辅开关在电流敏感器件动作完成后才可在小于起弧电流阀值或零电流下无弧断开，从而使该操作支路完全断开。

双路合路型直流供电系统启动过程：直流降压型开关在接通全系统中第一条供电支路时，操作程序仍然是先降压、后接通直流开关，保持降压开关处于分断状态不变，然后闭合辅开关，由于此时隔离二极管没有反偏电压，电路通过降压电路中的二极管串联电路、闭合的辅开关、主开关并联的分断电路接通，线路中会有电流，该电流可能会引起辅开关的接通燃弧，同时该电流会使分断电路中的电流敏感器件误动作，对熔断器式电流敏感器件误动作导致其熔断，丧失分断能力，对自恢复式电流敏感器件误动作导致其电阻变大，提高了主开关的工作电压，在主开关闭合时又会产生二次接通现象。

直流降压型开关在接通全系统中第一条供电支路时，存在电流敏感器件误动作，对主、辅开关的接通能力要求高于分断能力等设计缺陷，但是，供电支路仍然能够可靠接通。由于在接通电路时产生的接通电弧具有时间短、开关闭合后自然熄灭特征，开关的接通能力容易满足，这里的主要问题是电流敏感器件误动作，可以通过增加一个机械开关或更改操作逻辑来消除电流敏感器件误动作问题，代价是提高了成本和复杂度。在本发明应用情景下，合路型直流供电系统主要应用方式是不间断供电系统，不间断供电系统的本质是持续保持供电能力，不会有频繁的启动、停电操作，并且不间断供电系统应用行业具有空载启动的行业习惯，不会发生电流敏感器件误动作，即使带载启动，对自恢复型的电流敏感器件，电流敏感器件复原后仍然保有分断能力，对熔断器式电流敏感器件，仅需在降压型直流开关中设置一个检查位置，待供电系统全部支路接通后，逐个支路检查降压型直流开关中熔断器式电流敏感器件的状态，对熔断的电流敏感器件停电更换，恢复分断能力，关于这一点，本发明在具体实施方式结合附图有进一步的说明。从成本考虑，在不影响使用可靠性的前提下，本发明容许接通过程存在电流敏感器件误动作设计缺陷。

普通电路尽量避免产生过电流，在本发明中主动引入过电流，用低容量过电流保护器件分断线路正常电流，使得直流降压型开关内部各种机械开关或者在无流状态下分断，或者在小于起弧阀值下分断，实现了无弧分断，省略了机械式直流开关内部复杂的灭弧装置或混合式直流开关内部半导体开关器件及其体积庞大的散热器，在具有相同电寿命的情况下，减小了触点电磨损程度，降低了触点材料中贵金属材料的需要量，提高了供电系统可维性，从而达到并且超越了降低直流开关成本的设计目的。

附图说明  下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

图1是直流降压型开关工作原理图。

图2是双极直流降压型开关结构图。

具体实施方式  图1给出了直流降压型开关工作原理图。在负极接地单电源双路合路型直流不间断供电系统中，直流电源E通过支路1、2为同一负载L供电，支路1、2分别经过隔离二极管D1、D2后形成合路点M。支路1的直流降压型开关设置在隔离二极管D1之前正极，支路2的直流降压型开关设置在隔离二极管D2之前正极。降压电路由二极管串联电路和降压开关K1并联而成，直流开关由并联有分断电路的主开关K3和辅开关K2串联而成，分断电路内部的电流敏感器件采用了熔断速度合适的熔断器FU。

本发明中，将支路2设定为操作支路，支路1中降压型直流开关处于闭合(ON)状态时构成稳定支路。

直流降压型开关在闭合状态时，降压开关及主、辅开关均处于闭合状态；直流降压型开关在分断状态时，降压开关及主、辅开关均处于分断状态；直流降压型开关断开操作支路次序是：先分断降压开关K1，再分断主开关K3，最后分断辅开关K2；接通操作支路次序是：先将降压开关K3保持在分断状态，闭合辅开关K2，再闭合主开关K3，最后闭合降压开关K1。

当支路1是稳定支路时，分断K1，二极管串联电路接入产生压降，在稳定支路1配合下，该压降能使合路点之前连接支路2的隔离二极管D2反偏，支路2的负载电流下降为零。

这里重点介绍带载启动过程：在支路1、支路2均处于断开状态初始条件下带载接通支路2。直流降压型开关在带载接通全系统中第一条供电支路时，操作程序仍然是先降压、后接通直流开关，保持降压开关K1、主开关K3分断状态不变，首先闭合辅开关K2，由于此时隔离二极管D2没有反偏电压，电路通过降压开关K1并联的二极管串联电路、闭合的辅开关K2、主开关K3并联的分断电路接通，线路中会有电流，该电流使熔断器FU熔断，但是按操作流程依次闭合主开关K3、降压开关K1后，支路2仍然可以正常接通。

支路2接通后，即可接通支路1。此时，支路2构成支路1的稳定支路，支路1中直流开关内部各种开关在无流状态接通，电流敏感器件不会动作。

在支路1、支路2均接通后，可以逐个支路检查降压型直流开关中电流敏感器件的状态，对于熔断器式电流敏感器件，更换熔断的熔断器，恢复分断能力。需要在直流降压型开关辅开关K2闭合、主开关K3分断时序之间设置一个检查点。本发明中采用一个组合型机械开关实现直流降压型开关内各种机械开关，对于不间断供电系统应用情景，这是一种费效比最佳的实现方式，仅需在定位盘相应位置开一个凹槽即可实现检查功能。逐个支路检查时，将检查支路中降压型直流开关从闭合(ON)位置，运动到检查(TEST)位置，此位置处，辅开关K2闭合，降压开关K1、主开关K3分断，在供电系统内其他稳定支路作用下，该检查支路负载电流为零。如果电流敏感器件正常，电路通过降压开关K1并联的二极管串联电路、闭合的辅开关K2、主开关K3并联的分断电路、由电阻R1和发光二极管D3构成的电源指示电路接通，发光二极管D3发光，此信号电流远小于电流敏感器件动作电流，电流敏感器件不会动作；如果电流敏感器件故障，电源指示电路不通，发光二极管D3不会发光，此时将直流降压型开关从检查(TEST)位置进一步运动到分断(OFF)位置，断开电源更换电流敏感器件，再经过无流闭合恢复供电。

对于带载启动过程，也可以在直流降压型开关结构上充分考虑可维性，容许用户方面、安全的更换电流敏感器件，在启动之前，除掉分断电路内的电流敏感器件，待供电系统内所有供电支路接通后，在通过上述电流敏感器件检查、更换方式，重新将电流敏感器件设置到支路直流降压型开关内。

采用其他技术措施，消除了接通过程电流敏感器件误动作问题，实际应用时仍然需要检查电流敏感器件状态，另外这里采用的熔断器，容量远小于供电支路额定电流，价格低廉，故本发明是一种经济合理的设计。

由于对熔断器式电流敏感器件动作后需要人工更换，对自恢复式电流敏感器件动作后需要恢复时间，故直流降压型开关主要作为不频繁操作的配电开关使用。

在要求双极通断操作的应用场合，直流降压型开关应在另一极上设置一个与辅助机械开关同步、同状态的机械开关。例如图2双极直流降压型开关结构图中，单极直流降压型开关主电路设置在正极，要求双极通断操作时，在负极设置了与辅助机械开关K2同步、同状态的机械开关K21。

在双路合路型直流供电系统日常维护工作中，需要检验各支路工作状态，并且这种检验工作不能影响系统供电可靠性，需要在降压型直流开关中设置一个检查位置，此位置处，主、辅开关闭合，降压开关分断，利用直流降压型开关可方便、安全的检验支路工作状态。在支路处于接通状态，即降压开关及主、辅开关均处于闭合状态的初始条件下，断开降压开关，保持主、辅开关均处于闭合状态不变，该支路通过降压开关并联的二极管电路、闭合的主、辅开关处于降压接通状态，此时，如果该支路负载电流为零，说明第二条供电支路状态正常，本支路为冗余支路；如果该支路负载电流不为零，说明第二条供电支路状态不正常，本支路是必要支路，不是冗余支路。如果没有降压电路，通过直接分断直流开关检验支路状态，则当第二条供电支路状态不正常时，会导致负载掉电，故直流降压型开关的这种降压接通状态保证了检验维护工作时的供电可靠性。可以通过掐流表检验支路电流，这里本发明给出了更有效的方法，即在降压电路中的二极管电路内串联电流指示电路。

电流指示电路由电流取样电阻R2、电流显示电路、电压掐位电路，三者并联而成，电压掐位电路由二极管D5、D6串联而成，电流显示电路由限流电阻R3和发光二极管D8串联而成，发光二极管D8既可以作为本地显示，也可以作用光耦器件的输入器件，向远端监控中心报警。

在进行支路状态检验时，断开降压开关K1，保持主开关K3、辅开关K2均处于闭合状态不变，如果第二条供电支路状态正常，合路点之前连接该支路的隔离二极管反偏，本支路无负载电流流过，通过直流电源E、降压电路内二极管电路、闭合的辅开关K2、闭合的主开关K3、R1和D3构成的电源指示电路构成信号电流回路，该信号电流同时流过电流指示电路，由于信号电流为毫安级别电流，在电流取样电阻R2上形成的电压小于二极管D5、D6、发光二极管D8的开启电压，发光二极管D8不发光。

如果第二条供电支路状态不正常，检验支路的隔离二极管没有反偏电压，负载电流流过降压电路内的二极管电路，该电流同时流过电流指示电路，当负载电流超过最小反映电流时，在电流取样电阻R2上形成的电压大于发光二极管D8的开启电压，发光二极管D8发光，随着负载电流增大，电流取样电阻R2上形成的电压增加，流过发光二极管D8的电流同步增加，如果不限制，有烧毁发光二极管D8的危险，由二极管D5、D6串联而成的电压掐位电路限制发光二极管D8的电流。

同电流敏感器件检查一样，对于采用一个组合型机械开关实现直流降压型开关内各种机械开关的实现方式，仅需在定位盘对应断开降压开关及主、辅开关均处于闭合位置处(LTEST位置)开一个凹槽即可实现支路状态检查功能。

Claims (9)

1.一种直流降压型开关，适合在合路型直流供电系统中使用，合路型直流供电系统有两条及两条以上的多条直流供电支路，各直流供电支路分别经过隔离二极管后，在合路点处合并为一路，合路型直流供电系统是一种容错系统，在各支路正常工作的初始条件下，发生在任意时候、任意供电支路的单支路断开故障都不会影响整个供电系统的供电可靠性，其特征在于：

直流降压型开关安装在合路点之前的供电支路，用来控制该供电支路上负载电流的通断，直流降压型开关由降压电路和直流开关两部分串联而成；直流开关具体负责操作支路的通断，降压电路服务于直流开关，用来改善直流开关的工作环境，降压电路不需要时应失效，有需要时应产生压降，在供电系统中其他稳定支路配合下，该压降能使合路点之前连接该操作支路的隔离二极管反偏，使操作支路电流为零，直流开关可以无流通断，要求直流降压型开关在断开操作支路时按先降压、后分断直流开关的次序进行，在接通操作支路时按先降压、后闭合直流开关的次序进行。

2.根据权利要求1所述的直流降压型开关，其特征在于：

所述降压电路由二极管串联电路和一个机械开关(以下简称降压开关)并联而成，当降压开关闭合时，短接二极管串联电路，降压电路无降压效果；当降压开关无弧分断时，允许电流从二极管串联电路流过，该降压电路产生降压效果，在供电系统中其他稳定支路配合下，该压降能使合路点之前连接该操作支路的隔离二极管反偏，降压电路实际降压值由串联二极管的个数决定；所述直流开关，由并联有分断电路的主机械开关(以下简称主开关)和辅助机械开关(以下简称辅开关)串联而成，分断电路由二极管和电流敏感器件串联形成，该二极管的连接极性应允许通过线路直流电流，用来抵消主开关闭合时接触电阻上的压降，保证主开关闭合时无电流流过分断电路；线路接通时，主、辅开关均处于闭合状态，短接并联的分断电路，分断电路失效，由主开关承载全部线路电流，故分断电路没有保护功能，不负责分断线路中的过电流，平时不工作，仅在有需要时接入线路、分断线路额定工作电流以下正常工作电流，普通电路尽量避免产生过电流，在本发明中主动引入过电流，用低容量电流敏感器件具体负责线路电流的断开或降流任务，其应具有非线性变阻器特性，初始电阻要小，当流过其中的电流远大于动作电流时，阻值突变，呈高阻或熔断；时序上，直流开关在分断线路时首先断开主开关，要求电流敏感器件的初始电阻足够小并且具有延迟起效效应，延迟时间大于主开关的分断动作时间，保证主开关可靠断开之前，并联于主开关两端的分断电路的端压值小于主开关的起弧电压阀值，使主开关在将全部线路电流转移到分断电路的过程中、在电压小于起弧电压阀值的条件下无弧断开；主开关无弧断开后，全部线路电流流过电流敏感器件，要求其动作电流远小于线路的额定工作电流，正常线路工作电流对电流敏感器件而言是一种严重过电流，在该严重过电流作用下电流敏感器件可靠动作，经过一段动作时间后，其等效电阻变得足够大或熔断，使得线路剩余电流小于辅开关起弧电流阀值，最后辅开关在电流敏感器件动作完成后在小于起弧电流阀值下无弧断开。

3.根据权利要求2所述的直流降压型开关，其特征在于：

电流敏感器件可以采用现有的过电流保护器件实现。

4.根据权利要求3所述的直流降压型开关，其特征在于：

直流降压型开关结构上容许用户方面、安全的更换电流敏感器件。

5.根据权利要求4所述的直流降压型开关，其特征在于：

直流降压型开关具有电流敏感器件状态检查功能，需要在降压型直流开关中设置一个检查位置，此位置处，辅开关闭合，降压开关、主开关分断，将支路中降压型直流开关从闭合位置，运动到检查位置，在供电系统内其他稳定支路作用下，该检查支路负载电流为零；如果电流敏感器件正常，电路通过降压开关并联的二极管串联电路、闭合的辅开关、主开关并联的分断电路、由电阻R1和发光二极管D3构成的电源指示电路接通，发光二极管D3发光，此信号电流远小于电流敏感器件动作电流，电流敏感器件不会动作；如果电流敏感器件故障，电源指示电路不通，发光二极管D3不会发光，此时将直流降压型开关从检查位置进一步运动到分断位置，断开电源更换电流敏感器件，再经过无流闭合恢复供电。

6.根据权利要求2所述的直流降压型开关，其特征在于：

采用一个组合型机械开关实现直流降压型开关内各种机械开关，直流降压型开关在闭合状态时，降压开关及主、辅开关均处于闭合状态；在分断状态时，降压开关及主、辅开关均处于分断状态；时序上，直流开关闭合时，首先闭合辅开关，然后闭合主开关；直流开关分断时，首先分断主开关，辅开关在电流敏感器件动作完成后才可断开；直流降压型开关断开操作支路次序是：先分断降压开关，再分断主开关，最后分断辅开关；接通操作支路次序是：先将降压开关保持在分断状态，闭合辅开关，再闭合主开关，最后闭合降压开关。

7.根据权利要求2所述的直流降压型开关，其特征在于：

直流降压型开关具有支路状态检验功能，需要在降压型直流开关中设置一个检查位置，此位置处，主、辅开关闭合，降压开关分断；在支路处于接通状态，即降压开关及主、辅开关均处于闭合状态的初始条件下，断开降压开关，保持主、辅开关均处于闭合状态不变，该支路通过降压开关并联的二极管电路、闭合的主、辅开关处于降压接通状态，此时，如果该支路负载电流为零，说明本支路为冗余支路；如果该支路负载电流不为零，说明本支路是必要支路，不是冗余支路；在降压电路中的二极管电路内串联电流指示电路，电流指示电路由电流取样电阻、电流显示电路、电压掐位电路，三者并联而成，电压掐位电路由二极管串联而成，电流显示电路由限流电阻和发光二极管串联而成，发光二极管既可以作为本地显示，也可以作用光耦器件的输入器件，向远端监控中心报警。

8.根据权利要求5、6、7所述的直流降压型开关，其特征在于：

对于采用一个组合型机械开关实现直流降压型开关内各种机械开关的实现方式，仅需在定位盘辅开关闭合、主开关分断时序之间开一个凹槽即可实现电流敏感器件检查功能，仅需在定位盘对应断开降压开关及主开关闭合位置之间开一个凹槽即可实现支路状态检查功能。

9.根据权利要求2所述的直流降压型开关，其特征在于：

对于要求双极通断操作的直流降压型开关，在另一极上设置一个与辅助机械开关同步、同状态的机械开关。

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